imhotype (imhotype) wrote,
imhotype
imhotype

Categories:

День рождения гипотезы кванта энергии



После смерти Кундта и Гельмгольца в 1894 году Планк становится самым известным из берлинских физиков и, с начала столетия, ведущим теоретиком среди физиков Германии. Уже в конце 90-х годов в одном из документов отмечается, что Планк "обладает в настоящий момент среди представителей математической физики, вероятно, самым большим научным авторитетом и пользуется признанием как преподаватель". ...
К первым годам его пребывания в Берлине относится первый научный спор: дискуссия по поводу "энергетики". Планк выступил против точек зрения, которые представляли и пропагандировали в Германии дрезденский математик Георг Гельм и прежде всего физико-химик Вильгельм Оствальд. Непосредственным поводом для его выступления послужил доклад "Преодоление научного материализма", который Оствальд прочел в Любеке на конференции естествоиспытателей осенью 1895 года. Оствальд дал в нем обобщенное изложение своего энергетического взгляда на природу, который в тот момент ограничивался основами физики и химии и не претендовал еще на то, чтобы стать философской системой, охватывающей все сферы жизни, как это произошло в "Лекциях по философии природы" (1901) и в более поздних произведениях, прежде всего в "Философии ценностей" (1913).
Принадлежа к числу естествоиспытателей, интересующихся основными гносеологическими вопросами естествознания, Оствальд еще до переворота, произведенного открытием рентгеновских лучей, осознал, что механистическая картина мира уже недостаточна для толкования открытых в природе связей. В поисках выхода из трудностей он решил, что понятие "субстанция", основное понятие механистического материализма, должно быть вытеснено понятием "энергия". Он считал, что все законы естествознания могут быть выведены из энергетических законов. Нечеткое использование понятия энергии позволило ему - чисто внешне - сгладить "дуализм" вещества и духа, материи и сознания. Таким образом, материализм и идеализм также, казалось, были преодолены.
Все изложенное Оствальдом его коллегам в 1895 году было в основном разновидностью старого, додиалектического материализма, сдобренного некоторыми идеалистическими приправами. Вместо материальной субстанции в центре картины природы стояла энергия, толкуемая Оствальдом в основном материалистически; мир был для него энергией в пространстве и времени. Позднее в "Натурфилософии" Оствальда под влиянием Канта и Маха идеалистические черты выявились сильнее, не став, однако, господствующими.
В бурных выступлениях, последовавших за докладом в Любеке, физики почти единодушно возражали против энергетических взглядов. Больцман и Планк наиболее резко выступили против взглядов Оствальда. Доводы, высказанные устно, Планк вскоре обобщил в статье "Против новейшей энергетики".
Планк не отрицал, что энергетика - будучи связанной с законом сохранения энергии - содержит "определенное здоровое зерно", но считал провозглашенное Оствальдом энергетическое понимание явлений природы роковым заблуждением и возражал против притязания энергетики быть единственно верным толкованием природных процессов. Прежде всего он упрекал энергетику в том, что она скрывает фундаментальное противоречие между обратимыми и необратимыми процессами, с разработкой и углублением которого, по его убеждению, был связан любой прогресс в термодинамике и теории химического сродства.
Планк был непреклонен в своем отпоре энергетическим спекуляциям, и в главном он был прав. Восемнадцатью годами позднее Эйнштейн присоединился к этой отрицательной оценке энергетики. Ссылаясь на статьи Планка, он писал в 1913 году: "Для каждого сторонника подлинно научного мышления чтение этой острополемической заметки является вознаграждением за досаду, испытанную им при чтении тех работ, против которых в ней ведется борьба".
В вопросе об атомизме, который до 1908 года рассматривался Оствальдом как ненаучная теория, Планк не был тогда противником главы энергетической школы. Как и многие естествоиспытатели старшего поколения, например Роберт Бунзен или Эрнст Мах, Планк в то время относился к атомизму с глубоким недоверием. Его мнение изменилось лишь в начале века, когда он теоретически обосновал свою формулу излучения.
В своих классических исследованиях теплового излучения, которые он начал в 1896 году, Планк опирался на результаты работ многих немецких физиков. Теория теплового излучения, по словам Лауэ, от начала до конца "made in Germany". В числе первых исследователей этого явления следует назвать Густава Кирхгофа, который в 1860 году в учении о тепловом излучении выдвинул термодинамические идеи и особенно подробно занимался проблемой "черного излучения", излучения абсолютно черного тела.
Кирхгоф сумел доказать, что в закрытом со всех сторон пустом пространстве возникает состояние излучения, которое зависит не от особенных признаков содержащихся в нем тел, а только от их температуры. Исследование проблемы этого излучения в закрытом пространстве, к которому могут быть сведены все вопросы теплового излучения, вскоре, выступило на первый план во всех исследованиях излучаемой теплоты.
Физик Вилли Вин, в то время еще ассистент Имперского физико-технического института и приват-доцент Берлинского университета, попытался в 1896 году разрешить эту проблему посредством закона излучения. Он добился важного, хотя и неполного успеха, который стал последней ступенью на пути к квантовой теории. "И бессмертной заслугой Вилли Вина, - писал Макс фон Лауэ, - остается то, что он довел физику непосредственно до ворот квантовой физики, а уже следующий шаг, который предпринял Планк, провел ее через эти ворота".
Исследуя распределение энергии в нормальном спектре излучаемой теплоты, Планк основывался на законе Кирхгофа для излучения в пустом пространстве и на законе излучения Вина. Таким путем он хотел подойти к своей цели гармонично и прочно связать теорию теплоты и учение Максвелла - Герца об электричестве. Лишь позднее благодаря своему собственному открытию Планк понял, что на почве классической физики невозможно построить мост между этими двумя теориями.
Исходным пунктом для эпохального открытия Планка послужили опыты, поставленные в конце 90-х годов Отто Луммером и Эрнстом Прингсгеймом в Имперском физико-техническом институте с целью более точного определения излучения черного тела. Важное и в конечном счете решающее значение для теоретического обоснования квантовой формулы Планка имели результаты измерений, которые были получены там же Генрихом Рубенсом и Фердинандом Курлбаумом при экспериментах с излучением длинных волн, в особенности с инфракрасным остаточным излучением полевого шпата и каменной соли.
19 октября 1900 года Курлбаум сообщил об этих опытах Физическому обществу в Берлине. Результаты экспериментов не соответствовали установленной Вином формуле излучения, которая была пригодна для коротких волн и низких температур. Планк, узнав о результатах опыта Рубенса и Курлбаума за несколько дней до заседания, в заранее подготовленном дискуссионном замечании предложил новую формулу излучения, которая, как он считал, помогла устранить выявившиеся несоответствия.
Замечания Планка были опубликованы в "Сообщениях Немецкого физического общества" под заголовком "Об улучшении спектрального уравнения Вина". Маленькая, всего на три страницы, статья в методическом отношении несет на себе отпечаток становления открытия. Данная в ней формула излучения была при длинноволновом излучении и высоких температурах справедлива для опытных данных Курлбаума и Рубенса; при коротких волнах и низких температурах она переходила в закон Вина, который тем самым получал характер ограниченного закона.
Проверка уравнения Планка подтвердила полное совпадение его с данными опытов. Рубенс ночью, сразу же после заседания, тщательно сверивший новую формулу излучения с имеющимися результатами измерений, мог сообщить об этом Планку уже на следующее утро. Планк нашел свою формулу полуэмпирическим путем, благодаря своему несравненному чутью в термодинамике. Он сам рассматривал ее как "удачно угаданную промежуточную формулу". Теперь дело было за ее теоретическим обоснованием.
В процессе этой работы, которую он позднее назвал самой тяжелой в своей жизни, Планк пришел к ошеломляющему выводу. Он обнаружил, что его уравнение, которое со всей очевидностью верно отражало действительность, было справедливым только при одном совершенно новом представлении, а именно при допущении, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях - в "квантах".
Сумма энергий этих мельчайших порций определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую Планк ввел в науку под ставшим знаменитым символом h. Он назвал эту постоянную величину "элементарным квантом действия", или "элементом действия". Сегодня ее чаще всего называют постоянной Планка. Ее числовое значение он определил еще за полгода до этого, в другой связи, на основании измерений Луммера и Прингсгейма.
Теоретическое обоснование и разработка "удачно угаданной" формулы излучения заняли примерно столько же времени, сколько пять лет назад понадобилось Рентгену, чтобы в исчерпывающей форме описать свое случайное наблюдение 8 ноября 1895 года и вывести из него закономерность. Поскольку Планк теперь безоговорочно принял отстаиваемую Больцманом атомистическую точку зрения и статистическую теорию теплоты, он пришел к атомистическому обоснованию своего закона излучения и к представлениям гораздо более широким, чем те, которые сложились при первом подходе. Каким путем пришел ученый к окончательному результату, осталось неизвестно. Подобно Гауссу и Рентгену, Планк всегда неохотно говорил о применяемых методах и промежуточных ступенях своего исследования. "Многократно запутанную дорогу", по которой он шел к вычислению и обоснованию своей константы, он описал не более детально, чем Рентген события ночи, в течение которой он сделал свое открытие.
14 декабря 1900 года на заседании Немецкого физического общества в Институте им. Гельмгольца на Рейхстагуфер Макс Планк сообщил о своем революционизирующем открытии. Его выводы на девяти страницах вскоре появились в печати под заголовком "К теории закона распределения энергии в нормальном спектре".
Планк описал "новый, совершенно элементарный метод", благодаря которому, "не зная формулы спектра или же какой-либо теории, можно количественно вычислить с Помощью одной естественной константы распределение данного количества энергии по отдельным цветам нормального спектра и затем посредством второй естественной константы - по температуре этого излучения энергии". Первая константа природы - элементарный квант действия h. Другая, также впервые рассчитанная Планком и обозначенная им через k константа природы получила гражданство в физике под именем "константы Больцмана", хотя сам Больцман такую константу не предлагал и не задавался вопросом о ее числовом значении.
Если введение кванта действия еще не создало настоящей квантовой теории, как неоднократно подчеркивал Планк, то все же 14 декабря 1900 года был заложен ее фундамент. Поэтому в истории физики этот день считается днем рождения квантовой теории. Поскольку понятие элементарного кванта действия служило в дальнейшем ключом к пониманию всех свойств атомной оболочки и атомного ядра. 14 декабря 1900 года следует рассматривать как день рождения всей атомной физики и как начало новой эры естествознания
.

Фридрих Гернек. Пионеры атомного века
Tags: II мир, КНИЖНАЯ ПОЛКА, Наука и ЖестЪ
Subscribe

  • механизмы ГМО

    Прежде чем рассказывать про ГМО (генетически модифицированные организмы), кратко напомню основы биологии. Все многообразие жизни основывается…

  • Китайский демографический крест

    В начале 2020 года, уже 18 января статистики Китая выдали основные демографические показатели по стране. Население Китая к концу 2019 года…

  • Степан Костецкий "Кислотные застенки"

    ЦРУ десятилетиями испытывало наркотики и яды на американцах. Информацию об этом уничтожили. Ноябрьской ночью 1953 года над Седьмой авеню…

  • Post a new comment

    Error

    Comments allowed for friends only

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

  • 0 comments